基于光纤应力传感器的智能光电系统

文/李妍　张婉怡　刘喆　吕东

光纤应力传感器由于耐腐蚀、对介质的影响小、具有很强的抗电磁干扰能力，与传统的传感器相比具有体积小、质量轻、灵敏度高等特点，近年来这一技术在桥梁、大坝、高层建筑等大型建筑物的状态监测中的得到了广泛的应用及研究。但是由于结构所受应力引起光纤应力传感器光强信号的变化很小，经光探测器转换后的光电流信号变化极其微弱(本系统为10～3pA)，加上各种噪声的影响，因此，如何准确检测微小信号一直是信号检测技术的一个难点，微弱光电流信号的检测更是一个普遍性的问题，开展对这方面的研究对许多微小信号的检测也有参考意义。

1　光纤应力传感器系统

系统由多套单路光纤传感器纵横交错地排列在一起。其中将光源、探测器和光纤封装在一起，用光纤连接器及法兰盘联接上光纤传感部分，即形成了一套完整的单路光纤传感器。单路光纤传感器中的光纤传感部分采用缠绕式光纤应力传感器。

系统中，将光纤交接点布置在工程结构的应力集中点位置并对光纤进行编号，可实现故障定位。例如，当结构中某区域受到损伤时，会引起通过这一区域的光纤的输出功率突变，从而引起探测器输出电流信号的突变。因此，通过比较出是那两根光纤输出的信号变化较大，则可以诊断出结构的损伤位置即为这两根光纤交接点的位置。同时，根据信号的大小，可以判断出结构损伤的程度。

2　基于微小信号的智能光电系统的设计

根据微弱信号检测理论，如何有效地识别出有用信号是光电系统设计的首要条件。为了实现对光纤应力传感器系统输出的微弱光电信号检测，我们引入一束参考光（与目标信号两者使用同一的光源并且所处的环境也一样），经差动放大后所得到的电压信号只反映信号光纤中光强变化的信号，有效地消除了光源噪声和环境噪声。

2.1　智能光电系统电路设计

智能光电系统电路设计原理框图如图1所示。系统主要包括高速AD采样、CPU处理器、CPLD高速数据处理、电源模块和数据通信模块等。

图1：智能光电系统电路原理框图

光纤传感器由于外力等原因发生输出信号突变后，与参考光源经过差分放大电路进行抗干扰处理后，经由专门的放大电路及滤波电路，输出0～5V的电压信号，通过线路传输至智能光电系统的主控板中。因为光纤传感器信号瞬间改变，因此我们选用高速A/D转换器进行数据采集以及CPLD进行高速的数据处理。CPU处理器主要功能有：与CPLD进行数据传输；与上位机进行通信；对整个系统进行同步控制。

2.2　智能光电系统电路主要器件选型

2.2.1CPU处理器

STM32F429是由ST(意法半导体)开发的一种高性能微控制器。其采用了90 纳米的NVM 工艺和ART(自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAcceleratorTM)。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，使得STM32 F4系列可达到210DMIPS@168MHz，同时ART能够完全释放Cortex-M4 内核的性能;当CPU 工作于所有允许的频率(≤168MHz)时，在闪存中运行的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。

2.2.2高速A/D转换器

ADS1605是TI公司开发的高速、高精度的16位Δ-Σ模数转换器(ADC)。其采样速率为5MSPS，带宽为 2.45MHz，带内信号波动小于±0.0025d B，信噪比(SNR)为88d B；非线性失真(THD)为-99d B，无失真动态范围(SFDR)为 101d B。倍频采样(2X 模式)时，数据采样率能达到10MSPS。简易的并行数字输出数据接口可直接与复杂可编程逻辑器件（CPLD）连接，方便进行接口设计。

2.2.3复杂可编程逻辑器件

CPLD是系统的又一核心部件，系统选择MAX7000系列中典型芯片EPM7032。芯片可以通过JTAG在线编程，有128个逻辑宏单元和2500个可用逻辑门，符合高速数据采集系统的要求。CPLD接收来自总线的控制指令，并将其转化为控制ADC的转换指令，完成数据的采集和读取。

2.3　智能光电系统软件设计

系统中，有两个核心器件均需要软件编程。其中，CPLD程序设计是通过MAX+PLUSII开发软件实现的，使用高级硬件描述语言编程将设计好的硬件逻辑下载到芯片中，使得对硬件的设计如同软件设计一样方便快捷。STM32F429选用 IAR Embedded Workbench开发软件。IAR Embedded Workbench是一套用于编译和调试嵌入式系统应用程序的开发工具，支持汇编、C和C++语言。它提供完整的集成开发环境，包括工程管理器、编辑器、编译链接工具和C-SPY调试器。IAR Embedded Workbench中每个C/C++编译器不仅包含一般全局性的优化，也包含针对特定芯片的低级优化，以充分利用您所选芯片的所有特性，确保较小的代码尺寸。

3　智能光电系统的实现

根据原理框图利用Altium Designer 16软件设计智能光电系统原理图并完成PCB设计，在PCB布板中应注意高速A/D转换器的模拟部分与数字部分应独立布局，A/D转换器应跨分区放置，同时模拟部分与数字部分敷设统一地，但模拟电源与数字电源分割，这样可以有效减少EMI干扰。完成元器件焊接后可将STM32F429的程序及EPM7032的程序写入并进行调试，最终完成整个系统的设计。

4　结束语

针对光纤应力传感器输出微弱光电信号的特点，设计了一种适用于微弱信号检测的智能光电检测系统。通过对系统主要结构分析，可应用于精度高（可达十万分之一）、速度快（最高达10MHz）的微弱信号采集系统中。